Tema 9 (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Bioquímica - 2º curso
Asignatura Fisiologia Vegetal
Año del apunte 2014
Páginas 8
Fecha de subida 14/10/2014
Descargas 43
Subido por

Vista previa del texto

Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 REDUCCIÓ ASSIMILADORA DE NITROGEN I SOFRE Recordem que la fotosíntesi és un procés que produeix energia i esquelets carbonats que són l’inici del metabolisme dins la planta. De fet, la fotosíntesi aporta esquelets carbonats i dintre de les molècules orgàniques hi ha altres molècules que formen part d’elles de manera orgànica: nitrogen i sofre.
Encara que el més important duna planta és tenir aigua, el factor limitant de creixement de les plantes és el nitrogen ja que no està disponible a quantitats altes com el CO2. Realment el nitrogen sí que es troba en altes quantitats a l’atmosfera però per poder obtenir-lo fa falta l’ajuda de determinats microorganismes. Això fa que la captació de nitrogen en forma de nitrats per la planta sigui un procés clau i essencial per la planta i que fins i tot el seu metabolisme sigui un dels mes importants.
EL METABOLISME DEL NITROGEN A LES PLANTES Hi ha molts compostos que tenen a la seva composició nitrogen i que són molt importants per la planta. El nitrogen és molt important i té un cicle que esta regulat per dos factors: microorganismes i planta. La planta pot captar el nitrogen en forma de nitrat, en forma d’amoni i fins i tot pot captar-ho pels estomes en l’intercanvi de gasos en forma d’òxid nítric i aprofitarlos. Cal tenir present que la font principal de nitrogen inorgànic es troba evidentment al sòl, on podem trobar tant amoni com nitrats, totes dues substàncies són solubles en aigua però l’amoni també té tendència a convertir-se en cas (amoníac) i per tant la presencia de nitrogen en el sòl sol ser testimonial a no ser que parlem que estigui implicat en un procés concret, que s’estiguin produint grans quantitats d’amoni alen el sol com per exemple la orina dels animal, que porta urea que aquesta es descompossa al sòl en CO2 i amoníac.
Per tant, al final la font principal de captació de nitrogen orgànic per part de les plantes són els nitrats que no són una matèria fonamental del sòl i per tant no és el mes fàcil de tenir. Per això, moltes vegades s’afegeix al sòl diferents nitrats.
Tenir nitrats és tenir la clau perquè és la font principal de l’amoníac i del nitrogen que hem de convertir en compost orgànic.
Quan parlem de conversió de compost inorgànic a compost orgànic estem parlant de l’assimilació de nitrogen inorgànic.
1 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 Assimilació del nitrogen inorgànic L’assimilació del nitrogen és un procés de reducció. Tot i que també podem tenir una reducció desassimiladora, és el contrari, i és un procés catabòlic que evidentment és minoritari. La reducció assimiladora és un procés que està lligat a l’energia de la fotosíntesi ja que en farà falta molta.
Tenim el nitrat, l’arrel que capta el nitrat dissolt en aigua i el transporta via xilemàtica per tal que arribi a totes les cèl·lules.
Donada la importància que té el nitrat tot el seu moviment és molt específic i està controlat per transportadors. Observem una cèl·lula radicular que li arriba nitrat dissolt en aigua que el que fa és incorporar-lo en el seu interior i començar un transport actiu (calen dos protons). Per tant, per fer aquest transport gastarem per fer ATP.
El nitrat entra a l’interior cel·lular i pot seguir bàsicament tres vies:  Cas 1. Si hi ha molt nitrat aquest s’acumularà a la vacuola ja que la planta té un sistema que li permet acumular-ho.
Així doncs, si la planta ho necessita en un moment determinat el té al seu abast.
 Cas 2. Tornar-ho a exportar per tal que vagi a altres parts de la planta, ja sigui per la via apoplàstica (exterior del citosol) o ja sigui per la pròpia via del xilema. Per tant, el nitrat que circula pel xilema entra a les cèl·lules i pot tornar a sortir ja que està en continua fluïdesa. Hi ha tant moviment perquè dins les cèl·lules existeixen sensors dels nivells de nitrats que estableixen alguns processos. En aquest cas que parlem d’una cèl·lula de l’arrel, estableix quin es el tipus i la intensitat de creixement de l’arrel. És a dir, en funció del sensor que determina quina és la quantitat de nitrat en la cèl·lula l’arrel creixerà més de pressa per explorar més espai i trobar més nitrat si la concentració es baixa. Si hi ha molt nitrat no tindrà tanta pressa per explorar. La senyal en aquestes cèl·lules radiculars és una senyal de creixement d’un òrgan específic com és l’arrel. (morfogènesis).
 Cas 3. Seguir la reducció assimiladora i convertir-se en una forma orgànica de nitrogen que és un aminoàcid.
La reducció assimiladora del nitrat comença amb el nitrat i condueix a la forma orgànica primigènia que és l’amoni. Aquest pas en general necessita 8 electrons, és a dir, necessita molta energia. El pas es produeix en dues situacions etapes diferents:  Reducció de nitrats a nitrits  Reducció de nitrits a aminoni 2 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 Primer pas. Reducció de nitrats a nitrits que consumeix dos electrons.
Aquest primer pas està catalitzat per un enzim molt important per a la planta.
S'anomena nitrat reductasa i es tracta d’un enzim complexa, concretament és una flavohemoproteïna i té com característica la presència de molibden. Aquest enzim té dues subunitats, cadascuna amb funcions diferents:  Part de diaforasa en la qual hi ha transport d’electrons.
 Part on es produeix l’activitat reductasa: converteix nitrat en nitrit. Això es produeix gràcies a la presència del molibden i a la seva capacitat per transportar electrons a la seva estructura. A més utilitza el citocrom b57 com a altre transportador d’electrons que són aportats pel grup flavo. El que dóna poder reductor és el NAD(P)H 2. Per tant, la reducció de nitrat a nitrit necessita NAD(P)H2. El fet que posem la p entre parèntesi vol dir que l’energia utilitzada pot ser NADH però en aquest cas l’energia prové dels NADPH produït pels cloroplasts. Hem de considerar que estem a l’arrel encara i no a la fulla. L’activitat reductasa es produeix a l’arrel i a la fulla en intensitats diferents en funció de la disponibilitat. És a dir, aquesta reducció necessita energia provinent de la fotosíntesi.
Existeix un mecanisme anomenat transport de poder reductor que transporta el poder obtingut a la fotosíntesi formant NADPH2 a NADH2, en aquest procés intervé l’àcid màlic (molècula química que intervé en el cicle C4).
L’energia prové de la fotosíntesi, no del mitocondri. L'activitat dels mitocondris dins de les cèl·lules vegetals és important però no és suficient per aportar tota la energia que li cal a una cèl·lula radicular. Per tant, hem d’aportar energia en forma que no sigui glucosa ja que si no la saturem, és a dir, necessitem d’altres molècules que li aportin poder reductor.
3 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 Segon pas. Reducció de nitrits a amoni que consumeix 6 electrons.
Un cop tenim el nitrat convertit a nitrit que cal considerar que és una molècula molt reactiva, ha de ser reduïda ràpidament a amoni mitjançant la nitrit reductasa que és una hemoproteïna i té una estructura amb un cluster de ferro-sofre que forma una estructura cristal·lina. La reducció del nitrit a amoni necessita una gran quantitat d’energia de manera que hi participarà la ferredoxina ja que és la que pot aportar una energia més gran. Si estem parlant encara de cèl·lules de l’arrel la ferredoxina serà transportada des de la part aèria metre que si estem a la fulla serà la ferredoxina directament de la fotosíntesi.
A nivell cel·lular, la localització i compartimentació dels dos enzims (nitrat i nitrit reductasa) és diferent. La nitrat reductasa és un enzim citosòlic que es troba molt a la vora del plastidi. La nitrit reductasa es tracta d’un enzim cloroplàstic i que trobem tant a les cèl·lules fotosintètiques com a les no fotosintètiques. Per tant hi ha plastidis que no són fotosintètics i que tenen activitat de reducció del nitrit a amoni. Això vol dir que el nitrit haurà de travessar les dues membranes del cloroplast. Aquests transportadors no es coneixen molt però se sap que hi ha d’haver. Per tant ell nitrit format al citoplasma ha de passar a l’interior plastidial i allà la nitrit reductasa, utilitzant el poder de la màxima molècula energètica que és la ferredoxina, obtenir el primer compost orgànic: l’amoni.
Vies d’eliminació per l’amoni L'amoni també és un compost d’alta reactivitat de manera que ha d’haver-hi una via per poder-ho eliminar.
 Via 1. Una de les primeres reaccions que es va estudiar era una en la qual un cetoàcid (acid2-oxo-glutàric) captura l’amoni i utilitza poder reductor NAD(P)H2 i ens dóna un aminoàcid: l’àcid glutàmic. Aquesta reacció està catalitzada per un enzim, la glutamatdeshidrogenasa.
 Via 2. Els estudis de seguida van marcar que l’activitat d’aquest enzim no eren suficients com per treballar tot el nitrogen que les plantes utilitzen i perer tant es va haver d’estudiar un altre sistema. Es va trobar un sistema doble, conegut amb el nom de GS COGAT (glutaminsintasa Glutamin oxoglutarat aminotransferasa) o Aquest és un sistema combinat de l’activitat de dos enzims. Sobre un aminoàcid (Àcid glutàmic) incorporen l’amoni que prové de la reducció del nitrit). De manera que obtenim un aminoàcid diaminat, en aquest cas obtenim la glutamina.
o De fet, el primer compost orgànic que es forma després del procés de la reducció assimiladora del nitrat és un aminoàcid: la glutamina. Aquesta glutamina pot ser exportada a la resta de planta ja que serà la moneda de bescanvi nitrogenada. O també pot ser desaminada a glutamat per anar a un cicle lateral en el qual cedeix el grup amino a un cetoàcid i constituir un altre aminoàcid.
4 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 A l’ esquema de sota: L’amoni amb la glutamat sintasa i el glutàmic forma glutamina. En aquest procés hi ha una despesa d’ATP, de moment portem 3. El glutamat, si la glutamina no s’exporta serveix per tal que un esquelet carbonat no aminat (un cetoàcid, en particular l’àcid glutàric) reduït i per tant consumint NADPH (despesa de 2 NADPH de moment) dóna lloc a un àcid glutàmic que ens servirà per cedir el seu grup amoni a un altre cetoàcid (com oxalacetic) i donar lloc a un altre amino-àcid.
 Si ens fa falta glutamina haurem de realimentar el cicle ja que si la glutamina se’n va el final del cicle no es produirà.
Per tant hem d’agafar un altre cicle per tornar-lo a alimentar.
 Si ens fa falta un altre aminoàcid, faré que el cetoàcid es converteixi en un aminoàcid.
Recordem que la planta no sol tenir un nivell constant de nitrats sinó que en un moment determinat li poden arribar degut que l’arrel ha trobat una mina de nitrats. En aquest moment ha de captar-ho tot i convertir-lo en lo que li convé. En conseqüència ha de tenir un sistema de control molt sofisticat per saber que li cal en cada moment.
Suposem un cas extrem en què la nitrat reductasa està treballant a la fulla i l’arrel no té capacitat de nitrat reductasa ja que hi ha molt poca. L’arrel tindrà amoni de la reducció desassimiladora aportada per la glutamina. Per tant el transportador d’amoni serà la glutamina. És un cas molt similar en la sacarosa. La glucosa no es transporta en forma de glucosa si no en forma de sacarosa ja que es la eina que utilitzen les cèl·lules. Per tant, en condicions habituals, tota la reducció assimiladora del nitrat condueix a formar glutamina que després farà falta per regenerar el cicle.
A part de la glutamina, un altre compost que es forma molt fàcilment a partir d’un altre cicle és la asparragina (diamina de l’àcid aspàrtic) que és un sistema per transportar nitrogen orgànic per la planta. Una altra font per transportar nitrogen a partir de la planta són els urèids, derivats de la urea. Les plantes tenen cicle de la urea i per tant formen el compost, evidentment, les plantes no orinen la urea si no que han d’aprofitar-la. La urea es troba en una manera fàcil, ja que es molt soluble, de transportar aquest compost al llarg de la planta. La urea es troba fonamentalment en el sistema floemàtic ja que es sintetitza fonamentalment a les cèl·lules fotosintètiques ja que està lligat a la síntesi d’aminoàcids i la majoria d’aquesta síntesi es produeix en aquestes cèl·lules ja que fa falta molta energia i també aquesta glutamina.
5 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 De fet, el nitrogen orgànic de la planta, és a dir, l’amoni que dóna lloc al cicle de la glutamina i de l’oxoglutarat no provenen únicament de la reducció assimiladora dels nitrats sinó que també pot venir de possible captació del nitrogen atmosfèric, per degradació de proteïnes (reacció desassimiladora) o també de la fotorespiració. L’aportació d’amoni a la glutaminsintetasa que és un enzim natural a la planta sigui suficient per la via que faci falta i la planta pugui continuar amb la via.
Regulació de l’activitat de la nitrat i la nitrit reductasa Un dels aspectes més interessants és l’estudi de la regulació d’aquest procés. Observem el resum general en el qual es mostra la informació de la nitrat reductasa. El primer que veiem és que els dos enzims, nitrit i nitrat reductasa són induïbles pel substrat, és a dir, depenen de la concentració de nitrats: a més quantitat de nitrat hi hagi més activitat té l’enzim.
Existeixen altres fenòmens o situacions que regulen l’activitat de la nitrat reductasa.
 Factors ambientals. És el que es coneix com l’activitat citocrom (receptor de llum vermella) que té dues formes: inactiva (raig proper)i la forma activa (roig llunyà, Pfr). L’activació es produeix per l’arribada d’una llum roja determinada. La llum vermella reacciona amb el citocrom i també influeix en la nitrat reductasa.
 Si seguim una mica més endavant, pel que fa a les transcripcions i els canvis de les proteïnes, la formació d’una nitrat reductasa activa requereix de processos com la fosforilació, requereix de la presencia de magnesi i de calci. Quan ens pregunten quines són les funcions del magnesi dintre de la planta no només és necessària per l’activitat de la clorofil·la sinó que també és necessària per l’activitat de la nitrat reductasa.
 La nitrat reductasa com que es tracta d’una proteïna cal tenir en compte que pot ser degradada per les proteases. També hi ha altres compostos que la desnaturalitzen, un molt habitual en les plantes és l’àcid cianhídric i l’altre és l’oxigen que pot inactivar la nitrat reductasa perque tal i com hem vist es tracta d’una flavohemoproteïna i per tant pot alterar-la. Per tant, aquest enzim és molt sensible a l’oxigen. En conseqüència si tenim activitat reductasa a les plantes no hi haurà molt oxigen. Per tant, en una cèl·lula fotosintètica on hi ha molt oxigen aquest ha d’estar molt regulat per evitar, entre altres coses, que la nitrat reductasa s’inactivi.
 Hi ha un altre procés que també influeix sobre la nitrat reductasa que el que fa és desactivar-la. Es tracta un procés en el qual intervenen el grup de les proteïnes 14-3-3 que són bàsiques reguladores de determinades activitats.
6 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 Pel que fa a la regulació de la nitrit reductasa: Recordem que aquest enzim és de localització cloroplàstica i això provoca que en la seva activitat es produeixi un factor anomenat factor plastidial que estimula l’activitat de transcripció. Per tant, el cloroplast no només ha de fer fotosíntesi sinó que intervé en un procés clau en la reducció assimiladora del nitrogen, entre altres coses perquè la nitrit reductasa és un enzim cloroplàstic. En conclusió, la regulació d’aquests enzim pot venir donada per una interacció directa de la regulació enzimàticao per factors externs (llum, gasos, per tal que funcioni cloroplast).
REDUCCIÓ ASSIMILADORA DEL SULFAT El sofre és una molècula molt important per la planta que forma part de molècules clau com per exemple per la cisteïna o metionina (molt important dins la planta). Però també és fonamental per les vitamines B i per una molècula clau: el coenzim A. Per tant el sofre és imprescindible que té també un cicle dins de la planta on té una funció clau tant per la part d’aminoàcids com per la part metabòlica. El sofre és reduit per la planta mitjançant una reducció assimiladora a partir dels sulfats que utilitzen 3 protons pel cotransport i per tant tenim una despesa d’ATP.
Procés resumit de la reducció assimiladora del sulfat El procés de reducció assimiladora del sofre es molt llarga. En resum podem dir que: Existeix un enzim multifuncional que converteix el sulfat en sulfònic gastant ATP. En el següent pas es produeix la reducció en la que s’utilitzen 6 electrons i es forma sulfhídric.Finalment el sofre, el grup SH és cedit a una molècula i es forma cisteïna. Per tant, si amb el nitrogen les primeres molècules que incorporen el nitrat reduït són glutamina o asparragina, en el cas del sofre la primera molècula que té sofre orgànic és la cisteïna. A continuació de la cisteïna també es pot produir metionina.
Observem que el procés comporta una despesa d’ATP, de ferredoxina i també una despesa de NADPH, per tant el procés és metabòlicament costós. El que estableix que la síntesi de la cisteïna s’estableix també en zona cloroplàstica. El primer compost que es forma es la cisteïna que es convertirà en metionina, aquesta transformació es dóna a l’exterior del cloroplast. L’activitat de la cisteïna com a aminoàcid és molt important ja que molts enzims implicats en la fotosíntesi i altres processos participen en la formació de ponts tiòlics que fan que l’enzim es torni innactiu. S’ha de utilitzar el poder reductor de la fotosíntesi per tal de tenir un altre cop aquesta part reduïda. Per tant, la cisteïna no és únicament un aminoàcid que forma proteïnes sinó que és metabòlicament i enzimàticament molt important ja que el grup SH és el protagonista de moltes regulacions enzimàtiques de la planta.
7 Judith González Gallego Fisiologia vegetal T9 La metionina també és un aminoàcid però la seva via principal és ser precursor d’altres molècules. Per tant, el sofre no només serveix per fer aminoàcids sinó que és molt important per l’activitat enzimàtica i metabòlica. El glutation és un tripéptid que es forma amb una molècula de glutamat, una cisteïna (SH) i una glicina. El glutation reduït té dins de la molècula de cisteïna un SH lliure, és l’oxidoreductor més important de la cèl·lula vegetal (als animals també actua). I la seva activitat afecta a molts processos dins de la planta no només com a activitat reductora si no com a indicadora de senyals. En el cicle aigua-aigua la formació de substàncies reactives d’oxigen per indicar la presència d’errors era una senyal per a les cèl·lules vegetals, i el glutation és un dels més implicats.
Per tant, el glutation és fonamental com a oxidoreductor però sobretot com a senyal pels diferents estats de la cèl·lula vegetal. La seva reducció a partir de la seva forma oxidada utilitza NADPH, el que vol dir que estem situats al cloroplast i aquest compost necessita la cisteïna. El glutation pot participar en moltes situacions. Hem format cisteina i metionina i a partir d’aquestes podem formar la S-adenil metionina que és un precursor per a una gran quantitat de coses: de metabòlits secundaris, d’una vitamina, d’una fitohormona (poliaminas) , també participa en el procés de metilació de diferents molècules.
8 ...